2024全球量子通信与安全产业发展展望报告

2024 全球量子通信与安全 产业发展展望 2024/02 量子信息年度系列报告 2023年，量子通信与安全领域收获了发展和创新。在全球主要量子参与国家和科技企业共同努力下，量子技术在信息安全通信方面有了更多前沿突破和应用创新，使得更多的项目从实验室走向商业化应用。谷歌浏览器应用PQC算法、IBM推出量子安全路线、欧盟EuroQCI项目开始建设等一系列事件、进展和成果都在彰显这一领域的兴盛。作为信息通信和网络安全领域的一类前沿技术，量子通信与安全不仅为全球数字社会的构建提供新的可能性，还引领着网络安全的未来。 本报告聚焦于量子通信与安全产业生态全面发展，考察了量子密钥分发（QKD）、后量子密码（PQC）、随机数发生器（QRNG）等多个技术领域的关键创新，并以此为基础探讨其产品商业化和在行业中的应用，旨在对2023年度量子通信与安全领域的重要进展进行回顾和分析，并提出短期未来发展趋势的思路与观点。 作为连年发布的报告，本报告不着重解释技术的基本原理，更专注于呈现这些技术与产品在商业环境中的实际应用，全球重要项目的实施情况，以及各方在研发、标准化、商业化等方面的工作及成果。通过对这些方面的深入分析，我们期望为读者呈现一个清晰的画面，展示量子通信与安全行业在当今科技时代的引领地位和潜力。 尽管全球宏观经济形式不容乐观，量子通信与安全领域的融资近三年连续下降，但2023年的发展仍然鼓舞我们，多条政策向产业链各环节发出了明确的发展信号，预示着量子通信与安全领域在未来一年仍有可期的发展机遇。我们认识到依然需要面对新的挑战，让我们共同期待，共同见证这一领域在未来的拓展与卓越，为数字时代的安全通信注入更多活力和可能性。 ICV前沿科技咨询总监、高级副总裁：JudeGreen 01本报告体现的内容和阐明的观点力求独立、客观，本报告中的信息或所表述的观点均不构成投资建议，请谨慎参考。 02本报告旨在梳理和呈现2023年度内全球与量子细分技术和产业领域发生的重要事件，涉及数据及信息以公开资料为主，以及对公开数据的整理。并且，结合发布之时的全球经济发展状态，对短期未来可能产生的影响进行预判描述。 03本报告重点关注2023年1月1日至2023年12月31日间量子细分行业发生的相关内容，以当地时间报道为准，以事件初次发布之时为准。对同一内容或高度相似内容的再次报道，若跨年度，不视为2023年发生的重要事件。 04本报告版权归ICVTA&K和光子盒所有，其他任何形式的使用或传播，包括但不限于刊物、网站、公众号或个人使用本报告内容的，须注明来源（2024全球量子通信与安全产业发展展望[R].ICVTA&K&光子 盒.2024.02）。 本报告最终解释权归ICVTA&K和光子盒所有。 05任何个人和机构，使用本报告内容时，不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删减和篡改。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表、印刷等。如征得同意进行引用、转载、刊发的，需在允许范围内。违规使用本报告者，承担相应的法律责任。 06本报告引用数据、事件及观点的目的在于收集和归纳信息，并不代表赞同其全部观点，不对其真实性负责。 07本报告涉及动态数据，呈现截至统计之时的情况，不代表未来情况，不够成投资建议，请谨慎参考。 本篇报告由全球前沿科技咨询机构ICV邀请中国量子科技服务平台光子盒联合撰写和发布。感谢包括但不限于以下公司给予技术和素材的支持： Contents 目录 1.2023行业进展概览5 2.产业生态25 3.公司分析36 4.网络建设45 5.投融资56 6.政策分析64 7.产业预测68 8.展望观点75 9.附件81 01 2023行业进展概览 01 目录2023行业进展概览 01QKD主要进展 02QRNG主要进展 03PQC主要进展 04QT主要进展 05应用及商业进展 06标准化工作进展 01 距离 基于光纤传输的QKD线路里程逐渐提升为大规模量子网络建设奠定基础 QKD主要进展 中国研究团队在基于光纤传输的TF-QKD（双场量子密钥分发系统）线路距离方面，于2023年首次突破1000公里，达到1002公里，这一成果是迈向未来大规模量子网络的关键一步。此次突破通过实验证明了在长距离光纤上使用发送或不发送 （SNS）协议的TF-QKD的可行性。 北京量子院研究团队利用光频梳技术开发的量子密钥分发开放式新架构，成功实现615公里光纤量子密钥分发通信实验。此次实验是基于相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制的开放式架构、无需服务光纤的新型TF-QKD完成。达到低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继QKD的码率界限，成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验。 传输速率 QKD密钥传输速率再次提升助力实现更频繁的密钥交换 通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，可实现百兆比特率（115.8Mbs）的实时量子密钥分发，此实验结果将先前的成码率纪录提升一个数量级。 新的传输记录建立在QKD加密新理论之上，该理论解除了量子安全通信中先前对距离和数据传输速率的限制。利用传统光纤和光放大器的方法可实现在光纤电缆上发送了超过1032公里的量子安全通信，数据传输速率（密钥速率）明显高于之前的记录 （以前：0.0034比特/秒；现在：34比特/秒）。 天地一体 天地一体链路实现抗强背景噪声的QKD为天地一体通信网络夯实根基 最新一项具有全天时工作和抗强背景噪声特性的混合链路QKD技术成功完成演示。这项技术采用了空间链路和光纤链路相结合的方法，以实现Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。在传统的BB84协议无法正常工作的链路条件下，该技术仍能够有效进行多维干涉量子密钥分发（MDI-QKD）。此外，研究人员还深入研究了基于卫星的HOM干涉的可行性，为构建天地一体的混合通信网络奠定了重要基础。 成码率 QKD实现远距离安全成码有效降低协议实现难度 模式匹配量子密钥分发（MP-QKD）协议，利用极大似然估计的数据后处理方法精确地估算出两个独立激光器的频率差用于参数估计，实现了实验室标准光纤百公里级、两百公里级、三百公里级以及超低损光纤四百公里级的安全成码，相较于之前的原始MDI实验，成码率有明显提升，并且在三百公里和四百公里距离上较之前实验成码率提升了3个数量级。 “异步匹配”技术应用于量子通信，可大大提高了密钥率，且集中了“双场”协议与“测量设备无关”协议的优势，以更简单的量子通信架构，实现了尽可能长的量子通信距离。使用异步配对符合的策略改进了测量设备无关（MDI）量子密钥分发方案，使之既具有双场协议打破成码率-传输损耗限制关系的特点，又具有结构简化的优点。在成码率方面成功实现57kbps@201km、5kbps@306km、590bps@413km、42.64bps@508km。 安全性 02 结合量子非局域性、量子安全算法和零知识证明提高非交互式零知识证明安全性 中国科学家通过将量子非局域性、量子安全算法和零知识证明三个领域相结合，首次实现了一套以器件无关量子随机数发生 QRNG主要进展 器作为熵源，以后量子密码作为身份认证的随机数信标公共服务，将其应用到零知识证明（ZKP）领域中，消除了非交互式零知识证明（NIZKP）中实现真随机数的困难所带来的安全隐患，提高了NIZKP的安全性。 随机性 提高原始随机序列输出速率 实现高随机性的量子随机数发生器 利用雪崩光电二极管电子隧穿效应实现的离散型QRNG在常温常压下能以100Mbps的速率输出原始随机序列，8,000,000bits统计最小熵达到0.9944bits/bit，NISTSP800-90B认证最小熵达到0.9872bits/bit。使得实现长时间连续输出无任何后处理的高随机性随机数的量子随机数发生器成为可能。 此外，此次研究的QRNG输出的原始数据在长时间连续稳定保持高随机性方面也获得进展，系统11,744s连续输出1,174Gbits原始数据，以每8Mbits作为基本单元得到统计最小熵分布，其平均值为0.9892bits/bit。 产生速率 利用粒子和反粒子 提高量子随机数产生速率 利用量子真空态生成随机数通常在速度上存在限制。因此，研究人员通过利用粒子和反粒子对的行为来创建量子随机数发生器，发现其速度比传统系统快200倍，在实验中达到了每秒100Gbit的生成速率，将基于真空的量子随机数产生速度记录提高了一个数量级。 03PQC主要进展 PQC算法领域当前主要关注于对算法的安全性评估，包括抗量子攻击、数学问题的难度、侧信道攻击抵抗等多方面。因此，多方主要在NIST标准框架下对不同的PQC算法进行评估，以确保PQC算法在商业应用中能够有效抵御量子计算的威胁。 Kyber密钥封装机制（KEM）是已被NIST提名的用来保护网络免受未来量子计算机攻击的加密标准。然而，KEM却在2023年接连爆出安全漏洞。12月，网络安全公司Cryspen的研究人员解释了此算法的两个漏洞，分别为KyberSlash1和KyberSlash2，均属于基于时间的攻击。攻击者可以通过观察Kyber在解封装过程中执行的特定除法操作的时间，推断每次尝试的时间，并进行逆向工程破解。这种攻击方式属于侧信道攻击的一种可用于破坏任何类型的加密，包括经典算法和PQC算法。 2023年年初，瑞典皇家理工学院仅利用神经网络变破解了NIST提名的Crystals-Kyber算法，这是PQC算法第四次被破解。 目前，公众对PQC算法的安全性问题逐渐从理论层面的数学漏洞拓展到了更加实际的考虑，即算法在真实世界中受到的潜在攻击。实际攻击的出现强调了在部署PQC算法时，及时检查并修复潜在漏洞的重要性，促使PQC算法的不断改进和演进，以提高真实应用场景中的安全性。 安全评估 PQC迁移虽在推进 但PQC算法安全性仍需严格评估 CryptologyePrintArchive 新的神经网络训练方法“递归学习”（RecursiveLearning）可以通过周期性循环旋转信息，实现对NIST公布的四种PQC算法中Crystals-Kyber算法的最高5阶掩码的侧信道攻击，以高于99%的概率从中恢复了信息位（messagebit）。这一发现表明使用神经网络即可破解NIST的PQC算法，突显了PQC算法安全性评估的重要性。 04 距离 利用多路复用量子存储器实现长距离量子隐形传态 量子隐形传态（QT）是量子网络的一项基本功能，允许在不直接交换量子信息的情况下传输量子比特。此次实验展示了远距离进行量子传输的方法，从波长为通信波段的光子比特到存储在固态量子存储中的物质量子比特，多路复用量子存储器实现从光子到固态量子比特的量子隐形传态的传输距离超过1公里。这一系统采用主动前馈方案，通过对从存储中检索的量子比特进行条件相移，满足了协议要求。其独特之处在于采用了时分复用的方法，不仅提高了传输速率，而且直接与已部署的电信网络兼容。这些关键特征使得这一技术在长距离量子通信的发展中具有潜在的可扩展性和实际实施的可能性。 QT主要进展 效率 通过无噪声线性放大 实现高保真度连续可变的量子隐形传态 为了克服连续可变量子隐形传态在保真度和传输距离上存在的限制，通过无噪声线性放大来克服这些限制的预测量子传输器，使用适度量子纠缠的相干态传输的高保真度达到了92%。我们的传输器原则上允许几乎完全消除由于在不完美的量子通道中传输的输入态而引起的损失。此外，还进一步演示了位移热态的纯化，这是传统确定性放大或传输方法无法实现的。高保真度的相干态传输与对热化输入态的纯化相结合，使得量子态能够在相当长的距离上进行传输。此次实验克服了通往高效连续变量量子传输的长期障碍，同时为将传输应用于从热噪声中纯化量子系统提供了新的启示。 05应用及商业进展 量子